局所的な沸騰による腐食を避けるために、90 度の 15% 硫酸に浸したチタン グレード 7 シース ヒーターの最大許容熱流束はどれくらいですか?-

硫酸操作における高温は、チタン加熱装置にとって厳しい環境です。グレード 7 チタン (Ti-0.15Pd) は、通常の浸漬環境下、90 ℃、15 % H2SO4 中で良好な耐食性を示しますが、局所的な化学的性質は高温表面の存在によって大きく変化します。チタンシース表面では、熱流束が臨界値に達すると、金属-液体界面で硫酸溶液の局所的な沸騰が起こります。沸騰により、加熱された表面近くの酸が集中し、バルクの局所温度が 90 度以上上昇し、腐食挙動が受動的から能動的に変化する可能性があります。その結果、加速された攻撃が発生し、気液界面での腐食の輪として、または付着した蒸気泡の直下に孔食として見られます。-この記事では、この沸騰による腐食メカニズムを回避するために、90 度の 15% 硫酸中でのグレード 7 チタン シース ヒーターの最大許容熱流束を決定します。

沸騰による腐食過程
硫酸は非共沸溶液です。-その沸点は濃度に依存します。大気圧における 15% H2SO4 の場合、バルク沸点は約 103 度です。ヒーターシースの表面温度が局所的な沸騰温度を超えると、表面の欠陥で蒸気泡が核生成されます。気泡の形成により、気泡と高温表面の間の液膜が蒸発し、その薄い層に硫酸が濃縮されます。濃度は気泡の核生成から数ミリ秒以内に 15% から 30 ～ 50% に増加する可能性があり、気泡の下の金属表面の局所温度は壁の過熱温度 (通常はバルク沸点より 5 ～ 20 ℃高い) に達します。

In sulfuric acid, the passive-active transition of Grade 7 titanium is observed at a critical combination of concentration and temperature. Grade 7 is passive in 15% acid at 90 C with corrosion rate of less than 0.05 mm per year. In 30% acid at 100°C the corrosion rate increases to 0.5-1.0 mm/year. In 40% acid at 110°C, the rate is >5mm/年。沸騰-によって引き起こされる濃縮層は局所的に攻撃的な条件を正確に作り出し、その結果、気泡の核生成サイトで急速な金属損失が発生します。

熱流束閾値の決定
90 度での 15% 硫酸の核沸騰の臨界熱流束 (CHF) は、蒸気泡の形成が濃酸層を維持するのに十分な勢いである条件です。 CHF下では、気泡が周期的に現れて急速に離れるため、深刻な腐食が始まる前に濃縮されたコーティングがバルクに組み込まれます。 CHFを超えると、気泡密度が増加し、合体が発生し、連続的な蒸気膜が形成される可能性があります（膜沸騰への移行）。これらの影響により、濃縮と腐食が促進されます。

グレード 7 チタン テスト プローブを 15% H2SO4 に 90 度で浸漬した実験研究では、35 kW/m2 を超える熱流束で腐食速度が急激に上昇することが明らかになりました。 25 kW/m2 での腐食速度は 0.05 mm/年未満です。 35 kW/m2 では、速度は 0.10 mm/年まで上昇しますが、それでもほとんどの用途で許容可能です。 45 kW/m2 では、その速度は 0.35 mm/年まで上昇します。その速度は 55 kW/m² で年間 0.8 mm を超え、蒸気-界面で目に見えるリング腐食が発生します。急速な局所攻撃は、65 kW/m{sup 2}で 1000 時間で 1.65 mm の壁を貫通します。

The maximum permissible heat flux for safe long term (>5 年間）の動作は 40 kW/m² です。耐用年数が 2 ～ 3 年のアプリケーションの場合、50 kW/m2 が許容されます。値が 60 kW/m² を超える場合、壁の厚さに関係なく、グレード 7 チタンは適切ではありません。

緩和要因と適用マトリックス
動作条件とヒーターの設定最大許容熱流束 (kW/m2) 予想される腐食メカニズム 推奨される肉厚
垂直配向、完全に浸漬、良好な自然対流 40 kW/m² (連続) 均一な受動的腐食<0.05 mm/year 1.2-1.65 mm
完全に浸漬、水平配置、良好な対流 35 kW/m² 上面での低沸点濃度 1.65 mm
部分的に浸水（蒸気-液体界面が存在） 25 kW/m2 メニスカスリングの腐食 2.0 mm または部分的な浸水の防止
撹拌タンク (機械式またはエアスパージング) 50 kW/m² 撹拌により気泡が壊れ、濃度が 1.2 ～ 1.5 mm 減少します
低循環、停滞タンク 30 kW/m2 バブルの寿命が攻撃力を高める 1.65 mm
表面の汚れ/スケーリングのあるサービス 25 kW/m2 汚れにより局所的な表面温度が 2.0 mm 上昇する 実用的な設計上の推奨事項
グレード 7 チタン シーズ ヒーターを 90 度の 15% 硫酸に浸漬した場合の沸騰腐食のない連続使用の最大許容熱流束は 40 kW/m^2 です。この熱流束により、表面温度がバルク液体温度より約 8 ～ 10 度高くなり、金属表面が 100 度未満に保たれ、蒸気泡核生成の推進力が制限されます。この制約内で望ましい加熱速度を得るには、エンジニアはワット密度ではなく加熱表面積を増やす必要があります。より長いヒーターまたは多数のより小さな直径のチューブを直列に使用することにより、より低い熱流束で同じ総電力を供給できます。ヒーターを注文する際には、計算されたシース熱流束 (総電力を水没シース表面積で割ったもの) を求め、それが 40 kW/m2 以下であることを確認してください。循環が悪いシステムや部分的な浸水が避けられないシステムでは、許容流束を 25 ～ 30 kW/m2 に下げるか、蒸気スパージングなどの代替加熱方法を選択してください。